Продолжаем серию очерков об основных идеях специальной теории относительности (СТО). Начало серии здесь.
Всяк слышал, что теория относительности отвергает эфир. Однако наука рассматривает физический вакуум, обладающий определенными свойствами... Почему же он не эфир?
Когда говорят, что СТО отбросила гипотезу эфира, это имеет известный смысл: подразумевается гипотетическая среда распространения взаимодействий. Рассмотрение же «пустого» пространства как материи, обладающей некоторыми свойствами, например, квантовыми – просто выходит за рамки предмета СТО.
Про волновое уравнение
СТО отрицает существование эфира не в смысле «пустоты» или «непустоты» (как иногда воображают). Идея эфира в физике тесно связана с волновым уравнением, которым описывается любое волновое движение: например, акустические волны, и электромагнитные также.
Волновое уравнение не ковариантно: в своей классической форме оно действительно лишь в одной лаборатории, где отсутствует «ветер». А в других, движущихся относительно первой, оно выглядит иначе.
Следовательно, проводя опыты по распространению света, можно отыскать эту «абсолютную» систему отсчета. Или же вычислить скорость нашей лаборатории относительно «эфира».
Опытов проделали громадное количество. Установлено, что электромагнитные волны распространяются в любой лаборатории в точности так, как будто именно она покоится в среде.
Но такое невозможно математически! Над этой проблемой и ломали голову первоклассные физики. Очень близко к разрешению подошли Лоренц и Пуанкаре: оказалось, что существуют единственные преобразования координат, сохраняющие вид волнового уравнения во всех инерциальных системах отсчета (преобразования Лоренца).
В специальной теории относительности, базирующейся на этих преобразованиях, проблема «эфира» снята. В смысле, снята проблема нековариантности волнового уравнения. Таким образом, не существует абсолютного движения, а любые инерциальные системы отсчета равноправны. Иными словами, невозможно обнаружить «эфирный ветер».
Пустота не пуста?
Мы упомянули физический вакуум. Если «пустота» не пуста, почему ее наполнение не считают эфиром? Именно по той причине, что указана выше. Физический вакуум лоренц-инвариантен: ни в какие уравнения не входит в качестве параметра скорость системы отсчета относительно «эфира» (точнее, скорость эфира в данной инерциальной системе отсчета - ИСО). Попытка формально ввести подобный параметр в уравнения Максвелла не удалась.
Между прочим, в механике Ньютона то же самое: все ИСО равноправны, а значит, никакого абсолютного пространства нет. Независимо от того, что об этом думал лично Ньютон.
Что колеблется?
Порой видят смысл эфира в роли среды для распространения электромагнитных волн. Иначе встает вопрос: что же колеблется?
Перед нами волна на море. Что в ней колеблется? Уровень воды. Он уходит в «плюс» и «минус» относительно значения, принятого за ноль.
В электромагнитной волне аналогично колеблется уровень поля – относительно нуля.
Конечно, пока волн нет, остается сама вода. А если нет электромагнитной волны – мы имеем пустоту, поле равно нулю. Колебаться предстоит пустоте?
Но считать, что ноль означает «ничего нет» – неверный, детский взгляд. Все равно, как заявить: если температура на улице нулевая, то температуры вообще нет.
Поле всегда есть! В отличие от вещества, поле это состояние всего пространства. Просто некоторая характеристика поля в данный момент и в данной точке может быть равна нулю. Да и то – только в конкретной системе отсчета.
«Ноль» совсем не означает, что поля нет. Напряженность ноль, зато потенциал не ноль. Считайте, что поле это потенциал, а потенциал имеет смысл с точностью до константы. Вот вам и бездонное «море», по которому бегут электромагнитные волны.
Основа сущего
Еще одно понимание эфира - фундаментальная субстанция, из которой строится все сущее...
Подобные концепции – достояние ушедших времен, с их неизбежными теплородами и электрическими флюидами. Сейчас физике известно, что даже очевидные «субстанции» являются не тем, чем кажутся, а вопросы типа «из чего состоит то или это» – не имеют смысла. На место частиц встали волновые функции, квантованные поля, виды симметрий. Возврата к примитивному «мировому киселю», из которого сделана материя, точно не предвидится!